Ir. D.F. Woudagemaal en Oververhitter: verschil tussen pagina's

Uit Wouda's Wiki
(Verschil tussen pagina's)
imported>Jan Pieter Rottine
Geen bewerkingssamenvatting
 
imported>Jan Pieter Rottine
Geen bewerkingssamenvatting
 
Regel 1: Regel 1:
Het Ir. D.F. Wouda-gemaal is het grootste nog werkende stoomgemaal ter wereld. Het gemaal staat bij Tacozijl (nabij Lemmer) en wordt gebruikt om het waterpeil in Friesland te verlagen als het J.L. Hooglandgemaal bij Stavoren onvoldoende capaciteit kan leveren.
Het '''oververhitten van de stoom''' wordt '''vanaf circa 1900''' steeds vaker '''toegepast'''.
Het enige nog volledig voor de waterhuishouding werkende stoomgemaal in Nederland vinden we bij Lemmer: het ir. D.F. Woudagemaal. Heel bijzonder als men weet dat er in 1911 maar liefst 514 stoomgemalen actief waren in Nederland.


De bouw van het [[stoomgemaal bij Tacozijl (Teakesyl)]] werd noodzakelijk door de steeds toenemende wateroverlast in de Friese boezem.
Deze '''nieuwe stoomtechniek''' blijkt al spoedig '''een succes''' te zijn. In de voorafgaande decennia wordt er veel onderzoek verricht op dit terrein door '''Hirn''', '''Sainte Clair Deville''' en anderen.
In de daaraan voorafgaande eeuw nam de druk op deze boezem gestaag toe. Dat was een gevolg van o.a. de uitgestrektheid van het boezemoppervlak, opwaaiing en - stuwing bij harde wind met als gevolg "scheefstand" in de boezem, de toenemende partiële afwatering door het ontstaan van honderden particuliere polders met windbemaling en de vooruitgang in de landbouw en veeteelt, waarbij men steeds dieper wilde ontwateren.
<br>Uit die experimenten blijkt, dat '''het rendement van de stoommachine sterk''' kan worden '''verhoogd''' door de stoom extra te '''verhitten, tot boven de temperatuur van de bijbehorende spanning, dus tot boven die van het [[verzadigingspunt]]'''.  
Daarmee namen de eisen van de beheersing van de friese boezem aanmerkelijk opgeschroefd. De boeren namen er geen genoegen meer mee, dat de lage (gras)landen in de winterperiode regelmatig onder water stonden en er 's zomers hoogstens één keer (in juli of augustus) kon worden gehooid.
<br>Voorafgaand aan deze nieuwe toepassingen was het '''normaal om met verzadigde stoom te werken''': het is '''de stoom''' die gevormd wordt in de stoomketel bij '''een bepaalde temperatuur en bijbehorende druk'''.  
Woongebieden in het lage midden van Fryslân werden door de overstromingen regelmatig bedreigd.
De oorzaak van de toenemnde ellende was het feit dat de natuurlijke lozing van het water op de Zuiderzee en de Waddenzee tijdens de eb-standen op zulke momenten stagneerde door windstuwing en in langdurige regenperiodes door overmatige toename van water in de friese boezem.
Vanaf 1894 werd er in de landelijke en provinciale politiek uitgebreid gediscussieerd over mogelijke te nemen maatregelen, waarbij een verbetering van de indijking werd afgewogen tegenover de bouw van voldoende krachtige gemalen.
Uiteindelijk werd er besloten tot een combinatie: naast verbetering van de dijken, met als slotstuk de bedijking van de Lauwerszee (1968), werd ook het plan gelanceerd tot het bouwen van een gemalen bij Lemmer en Stavoren.


De Provinciale Staten van Friesland hechtten in 1915 hun goedkeuring aan het plan tot de bouw van het stoomgemaal bij Lemmer.
Wanneer de '''verzadigde stoom''' uit de ketel via de stoomleiding naar de stoommachine geleid wordt, '''zal onderweg door afkoeling van de pijpleiding een gedeelte van de stoom gaan condenseren''' en dus is het bijna niet te voorkomen dat '''natte stoom in de cilinder''' toestroomt.
Onder leiding van de hoofdingenieur van de provinciale Waterstaat, ir. D.F. Wouda, werd meteen met de bouw begonnen. De werktuigkundige installatie stond mede onder toezicht van prof. ir.  Dijxhoorn.      


De ontwerper van het in 1920 in gebruik genomen gemaal met haar functionele maar karakteristieke uiterlijk is ir. D.F. Wouda, de stoominstallatie met het stoommachinepark is ontworpen door prof. ir. Dijxshoorn, in samenwerking met Machinefabriek Jaffa in Utrecht.
[[Bestand:Stoomtoevoerleiding_gtgi.jpeg|600×188px|link=]]
In het ketelhuis werd de stoom opgewekt door zes kolengestookte ketels. In 1955 werden deze zes kolengestookte stoomketels van het type Pied-Boeuf vervangen door vier nieuwe Schotse ketels van Werkspoor, aanvankelijk eveneens gestookt met kolen, maar in 1967 werden deze ketels voor oliestook omgebouwd.
'''Stoomtoevoerleiding, vanaf  de stoomdom schuin aflopend naar de machine'''
Het machinepark bestaat uit vier tandem-compound stoommachines en acht centrifugaalpompen, gebouwd door de Machinefabriek Jaffa te Utrecht.
<br>(afbeelding uit: G.J. Harterink, "Landketels", Amsterdam 1921)
Het gemaal werd op 7 oktober 1920 geopend door Koningin Wilhelmina.  


Tot 1966 werd het gemaal gebruikt om het boezempeil van Friesland (het FZP) te verlagen. Door inkrimping van de inhoud van de friese boezem en de intensivering van de wateruitslag uit de polders namen omstreeks 1960 de klachten betreffende wateroverlast en overstroming weer toe. Daarom werd nu ook het tweede gemaal bij Stavoren gerealiseerd en in 1976 werd het J.L. Hooglandgemaal opgeleverd. Sindsdien wordt het Ir. D.F. Wouda-gemaal nog slechts enkele dagen per jaar noodzakelijk wordt ingezet.
Maar zelfs, al zou de stoom bij binnenkomst in de cilinder echt nog droog zijn, dan '''zal''' '''tijdens de expansie van de stoom''' toch nog '''een deel als water neerslaan''' en daardoor een '''negatieve invloed op het nuttig effect''' uitoefenen.
Dat bleek bijvoorbeeld in het najaar van 1998, toen er een extreme hoeveelheid regen viel. Al dit regenwater bleek te veel voor een groot aantal gemalen en sluizen. De sloten en kanalen raakten overvol. Tuinderijen liepen onder water. Op een aantal plaatsen kon het rioleringsstelsel de hoeveelheid water niet aan. Ondergelopen straten en huizen waren het gevolg. In oktober 1998, 78 jaar nadat koningin Wilhelmina het officieel had geopend, werd het Woudagemaal weer eens ingeschakeld. Soepel draaiend leverde het paradepaardje een topprestatie door dertien dagen onafgebroken te pompen en al het overtollige water af te voeren. Zo zorgde het ervoor dat Friesland droge voeten hield.
<br>Daar komt nog bij dat '''geen enkele stoomketel''' inderdaad '''volkomen droge stoom levert''', dus de toelaat van droge stoom van verzadigingstemperatuur en -druk in de stoomcilinder is veeleer een theoretische hoop.
Nog steeds komt het voor dat het Woudagemaal voor enige dagen moet bijspringen.  


Als het nodig is pompt het stoomgemaal bij Lemmer met gemak 4 miljoen liter water per minuut naar buiten (dit is ruim 5,6 miljoen m3 water per etmaal), zelfs naar huidige maatstaven gerekend een flinke capaciteit.
Daarom ontstaat geleidelijk''' het inzicht''', dat het '''een voordeel zal opleveren''', als men '''de temperatuur van de stoom zoveel verhoogd, dat er in de cilinder geen enkele condensatie''' kan plaatsvinden.
Ter illustratie: daarmee zou het Sneekermeer in twee etmalen volledig  zijn drooggelegd.


Het gemaal is sinds 1947 vernoemd naar ir. D.F. Wouda, hoofdingenieur van de Provinciale Waterstaat van Friesland, die het in 1917-'18 gebouwde pand ontwierp in de stijl van de Amsterdamse School. Hij speelde een belangrijke rol bij de realisering van het gemaal. Bij zijn pensionering werd daarom zijn naam voor altijd aan het gemaal verbonden.
[[Bestand:Bild16857_gi.jpg|400×200px|link=]]
<br>(afbeelding uit: "Oude Machines")


Sinds 1977 is het bouwkundig en technisch waardevolle Woudagemaal een beschermd monument. Het is geplaatst op de UNESCO Werelderfgoedlijst. Het gemaal komt alleen in actie bij extreem hoge waterstanden. Daarmee is het gemaal geen museum geworden. Het is een volledig inzetbaar bedrijf, thans in eigendom van het Wetterskip Fryslân.
Het is zelfs zo, dat als als men''' daarboven nog doorgaat met verhitten''', dat er daarbij '''een volumevergroting''' optreedt, dit alles''' bij gelijkblijvende spanning'''.
Zelfs nu het elektisch aangedreven Hooglandgemaal, waarvan de capaciteit in 2010 nog eens is vergroot, bij wateroverlast als eerste wordt ingezet, komt het voor dat het Woudagemaal bij overaanbod van boezemwater wordt ingezet door het Wetterskip Fryslân.
De volumetoename bedraagt bij een oververhitting van 100 gr. C. al bijna 25%.
Daarnaast vervult dit stukje historie nog andere belangrijke functies: de schoorsteen met een hoogte van meer dan zestig meter is een veilig baken voor menig schipper op het IJsselmeer.Ook zijn het gebouw en de stoommachines trekpleisters voor architectuur- of stoomliefhebbers.
<br>Als voorbeeld noemt E.F. Scholl 1 kg stoom van van 6 atm., die in verzadigde toestand een volume heeft van 275 dm3 (liter), maar bij oververhitting met 100 gr. C al een volume heeft van 350 dm3 (liter)!
<br>De '''voordelen van een groter volume''' zijn duidelijk: de '''schadelijke ruimte''' van de cilinder (de inlaatruimte) heeft dan ook '''minder invloed''', het '''stoomverbruik vermindert''', het '''ketelvermogen kan kleiner blijven'''. Bovendien kan men die kleine ketels beter forceren, d.w.z. heftiger laten werken (koken), omdat er bij oververhitting van de stoom toch geen natte stoom naar de machine gaat.
 
In het begin staat de '''technische ontwikkeling''' van voldoende '''effectieve oververhitters''' (ook '''superheaters''' genoemd) de toepassing van oververhitte stoom nog in de weg. Er moet naar de '''juiste materialen''' worden gezocht. '''Opwelling''' van de te heet geworden stoompijpen, '''ondichtheid''' van pakkingbussen, zuigers en schuiven of kleppen '''vormen''' daarbij '''een probleem''', want ook het bedrijf met oververhitte stoom '''moet in de praktijk natuurlijk beheersbaar, betrouwbaar en langdurig toepasbaar zijn'''.
 
Daarbij komt ook nog een geheel '''ander probleem''': de eerder '''gebruikelijke smeermiddelen''', plantaardige of dierlijke oliën en vetten, '''ontleden bij de hogere temperaturen gemakkelijke'''r en dus komt de '''goede werking van de machine hierdoor in gevaar'''.
 
[[Bestand:Vroege_OV_Schwörer_gtgi.jpeg|600×285px|link=]]
'''Een vroege oververhitter van Schwörer, geplaatst achter een vuurgangketel'''
<br>'''let op de ringen aan de buitenzijde en de langsstroken aan de binnenzijde van de verhiiterpijpen'''
<br>(afbeelding uit: E.F. Scholl, "De Gids voor Machinisten")
 
'''Vanaf circa 1900''' heeft men de oplossingen voor het overgrote deel al wel gevonden en slaagt men er vervolgens in om '''goede oververhitters''' te bouwen. Voor de pakkingbussen en zuigers worden '''nieuwe metallieke materialen''' toegepast en men heeft '''minerale smeeroliën''' gevonden die een '''ontvlammingstemperatuur hebben boven 350 gr. C'''. en die hun '''smerende werking''' bij zulke hoge temperaturen ook '''behouden'''.  
 
Bij stoomwerktuigen, waarbij de stoom geen pakkingbussen of sluitende zuigers en schuiven of kleppen hoeft te passeren, zoals '''bij stoomturbines''' (De Laval) het geval is, vervalt het probleem van ondichtheid natuurlijk helemaal. '''Voor stoomturbines is oververhitting dus heel goed toepasbaar en de nieuwe ontwikkelingen vertonen daarbij ook nog eens een sterke toename van de stoomdruk'''.
 
[[bestand:De_Laval_stoomturbine_gtgi.jpeg|568×391px|link=]]
'''Stoomturbine van De Laval in proefopstelling'''
<br>(afbeelding uit: brochure van De Laval)
 
<br>De '''warmtetoevoer aan de oververhitter''' kan op '''twee manieren''' worden ingericht:
<ul>
<li> oververhitting met een eigen afzonderlijk vuur, dus onafhankelijk van de ketel
<li> Interne oververhitting door de gassen van het ketelvuur
</ul>
 
De '''eerste manier''' van oververhitting is in de praktijk '''weinig toegepast''', omdat hierbij '''nog eens het zelfde verlies''' optreedt '''als bij alle andere ketelvuren'''. In een enkel geval gebeurde dit, omdat de '''ketel''' eigenlijk '''te klein''' was geworden voor het gevraagde vermogen en men condensatie wilde voorkomen en om zo dan toch nog voor '''droge stoom''' te kunnen zorgen.
 
[[Bestand:Aparte_OV_gtgi.jpeg|800×302px|link=]]
'''Apart opgestelde oververhitter met eigen stookinrichting (lengte- en dwarsdoorsnede)'''
<br>(afbeelding uit: E. F. Scholl, "De Gids voor Machinisten")
 
Bij de '''tweede manier''' wordt de '''oververhitter''' meestal '''opgenomen in de rookkanalen van de ketel''', zodat de verwarming '''door de gassen van het ketelvuur zelf''' kan gebeuren.
    
    
In 1998 is het uitstekend onderhouden monument op de [[Werelderfgoedlijst van UNESCO]] geplaatst, en op 7 juli 2001 is de publieke openstelling gestart door Commissaris van de Koningin Nijpels. Het behoort tot de top der Nederlandse UNESCO-monumenten.
Toepassing van oververhitte stoom gebeurt '''aanvankelijk nog voorzichtig''': oververhitting met '''temperaturen van 200-250 gr. C.''' wordt gebruikt om een '''rendementstoename van 15-20%''' te bewerkstelligen. Uitgangspunten bij de bouw van '''oververhitters (superheaters)''' zijn dan:
 
<ul>
<li>Hij moet zonder problemen '''aan de hogere temperaturen van 250-300 gr. C. weerstand kunnen bieden'''
<li>Hij moet '''overal gemakkelijk kunnen worden ingebouwd''', hij mag dus in het stoombedrijf '''weinig ruimte in beslag nemen''', maar moet in die kleine ruimte '''wel een zo groot mogelijk verwarmd oppervlak''' hebben
<li>De '''massa van het materiaal''' van de oververhitter moet '''groot genoeg zijn om de temperatuursschommelingen van het verbrandingsproces te kunnen opvangen'''.
</ul>
 
Als er '''bijvoorbeeld''' door het openen van de vuurdeuren koude lucht in de ketel wordt toegelaten, dan daalt de verbrandingstemperatuur en die van de rookgassen tijdelijk sterk. De oververhitter wordt dan op dat moment plotseling te weinig verhit en daardoor zou de stoom spontaan afkoelen tot beneden de gewenste temperatuur. Maar als er '''bij voldoende massa van de oververhitter maar voldoende warmte is opgehoopt in het materiaal''', dan kan die warmte '''tijdelijk aan de stoom worden afgegeven en wordt daarmee de temperatuurschommeling voldoende afgevlakt'''.
De oververhitter is daarmee dus meteen '''een hitte-accumulator'''.    


De stichting[[Stichting ir.D.F.Woudagemaal]] draagt zorg voor het voor publiek openstellen van dit werelderfgoed
De eerste '''bruikbare oververhitters''' worden ontworpen door '''Schwörer''' en '''Hirn'''. Deze eerste oververhitters waren vervaardigd van '''gietijzer'''. Gietijzer was echter '''niet bijzonder betrouwbaar''' bij de hogere stoomspanningen.
Wel bezit gietijzer '''een flinke ijzermassa''' en dat gaf wel '''mogelijkheden voor hitte-accumulatie'''. De eerste oververhitters hadden '''buizen met daaromheen, aan de buitenzijde, veel ringen (voor de warmte overdracht, maar ook voor de sterkte) en aan de binnenzijde stroken in de langsrichting (die moesten zorgen voor een goede doorstroming van de stoom)'''.


----
[[Bestand:Böhmer_OV_gtgi.jpeg|300×505px|link=]]
'''Oververhitter van Gebr. Böhmer'''
<br>(afbeelding: Het Stoombedrijf, N.A. Imelman)


De '''Gebr. Böhmer in Magdeburg-Neustadt''' gebruikten '''buizen die aan één zijde waren afgesloten''' en '''vrij stonden opgesteld''', met daarbij '''een wand in het midden''', zodat de stoom gedwongen was om de buizen aan beide zijden te bestrijken.


'''Stoomkracht'''
Het '''materiaal''' dat later veelal voor de oververhitters werd gebruikt was '''gietijzer, gietstaal, smeedijzer of staal''' en in enkele gevallen '''nikkelstaal'''.


De [[waterpompen|waterpomp]] van het Woudagemaal worden aangedreven door stoomkracht. De [[stoom]] die de vier [[stoommachine|stoommachines]] aandrijft, ontstaat door water te verhitten tot stoom. Dit gebeurt in de [[stoomketel|stoomketels]]. Tegenwoordig wordt [[stookolie]] gebruikt, maar oorspronkelijk stookte men het gemaal op [[steenkool|steenkolen]].
Het aanbrengen van de '''oververhitter''' hangt '''qua locatie''' hoofdzakelijk af van '''het gebruikte ketelsysteem'''.
<br>Bij '''ketels met binnenvuren''' bouwt men de '''oververhitter achter de vuurgangen''', zodat meestal de hete gassen '''eerst door de buizen''' gaan, '''dan de oververhitter''' bestrijken en vervolgens '''nog eens de ketel beneden''' verwarmen, voordat ze ontwijken via de schoorsteenkanalen.
<br>Bij '''waterpijpketels''' ligt de '''oververhitter meestal tussen de waterpijpen en de bovenketel'''.


Bij een draaiend Woudagemaal werd tussen de 30.000 kg en 35.000 kg steenkolen per dag verbruikt, met uurgemiddelden van soms wel 1400 kg per uur.
[[Bestand:Resolveb_a.jpg|600×458px|link=]]
'''Plaatsing van de oververhitter tussen de waterpijpen en bovenketel'''
(afbeelding uit: "Oude machines")


'''Opslag van steenkolen'''
Het is natuurlijk wel zo, dat men, '''om de stoom een hogere temperatuur te kunnen geven''', er '''meer warmte''', dus ook '''meer brandstof''', moet toevoeren, maar '''meestal''' gaan de gassen zonder oververhitting '''toch al met een veel te hoge temperatuur de schoorsteen uit''', zodat met oververhitting nog een deel van de  normale warmte door de oververhitter kan worden opgenomen.


Wat nu de parkeerplaats is bij de ingang van het Woudagemaal, was oorspronkelijk de opslagplaats voor de steenkolen. De steenkolen werden per boot aangevoerd.
De '''oververhitte stoom''' heeft '''als bijzondere eigenschap''', dat die '''buitengewoon slecht warmtegeleidend''' is.
<br>De '''oververhitter''' wordt '''daarom samengesteld uit dunne pijpen''', om de toetreding van de warmte van de gassen '''ook tot de kern van de stoomstroom te laten doordringen'''. In zijn normale vorm bestaat de oververhitter uit pijpen in '''bundels van slangen van een gebogen vorm''', waarvan het '''ene uiteinde uitkomt in een verzamelkast voor de stoomtoelaat''' (invoer) en '''het andere einde uit mondt in een dergelijke kast voor de stoomuitlaat''' (afvoer). De kasten zijn rechthoekig van doorsnede en gemaakt van naadloze pijp. De pijpen zijn "uitgerold"in de kasten, waarin tegenover elke pijp een gasprop of '''dekseltje met knevel''' is aangebracht.


'''Van steenkolen naar stookolie'''
[[Bestand:Afb_97_Stoom_gtgi.jpeg|600×529px|link=]]
(afbeelding uit: "Stoom", Ver. Krachtwerktuigen, Groningen 1942)


In 1955 werden de kolengestookte ketels vervangen door vier nieuwe ketels. In 1967 werden deze ketels omgebouwd voor stookolie. Er is tegenwoordig tussen de 13 en 17 ton stookolie per dag nodig, afhankelijk van het aantal toeren.
Soms zijn '''de slangen liggend''' aangebracht, maar zij kunnen '''ook staand''' zijn opgesteld, '''zoals bij de Werkspoorketels van het [[ir. D.F. Woudagemaal]]'''


'''Voordelen van stookolie boven steenkolen'''
'''Bij de oververhitters''' past men '''vaak het principe van gelijk- en tegenstroom toe'''.
<br>Bij '''gelijkstroom''' is '''het gemiddeld temperatuurverschil tussen stoom en gas kleiner''' dan '''in het geval van zuivere tegenstroom'''.
<br>Daar waar '''de heetste verbrandingsgassen de zuivere tegenstroom-oververhitter bereiken''', is dus '''de hoogste stoomtemperatuur'''. De pijpwand krijgt dan zulk een hoge temperatuur , dat de '''kans op gloeiend worden''' groot is, en een dergelijke oververhitter '''zal al gauw verbranden'''.
<br>Daarvoor wordt dus het '''gelijk- en tegenstroom-principe''' toegepast.
<br>De stoom gaat '''in de eerste slangen in tegenstroom''', om '''daarna in gelijkstroom tot de vereiste temperatuur verhit''' te worden. De '''het eerst door de verbrandingsgassen bestreken pijpen''' worden '''daardoor voldoende afgekoeld'''.


• Stookolie is minder arbeidintensief. Het bespaart maar liefst dertien [[functies bij het Woudagemaal|arbeidskrachten]].
Het '''inzetten van een oververhitter''' betekent '''ook een toename van de weerstand voor de doorstroming van de rookgassen'''. Men moet dus altijd eerst '''onderzoeken of de schoorsteen genoeg trek kan leveren'''.  


• Vroeger kostte het een volle dag om het gemaal op te starten, nu slechts acht uur.
[[Bestand:Gelijk-tegenstroom_OV_gtgi.jpeg|500×155px|link=]]
<br>(afbeelding uit: "Stoom", Ver. Krachtwerktuigen, Groningen 1942)


• Vloeibare brandstoffen zoals stookolie zijn schoner en minder milieubelastend dan steenkolen. Zo heeft stookolie geen asresten, met bijkomende giftige stoffen.
De '''afregeling van de oververhitter''' kan op verschillende manieren gebeuren:
<ul>
<li>door '''verandering van de hoeveelheid rookgassen''' die de oververhitter bestrijken. Deze regeling is '''eenvoudig te verwezenlijken''' en wordt het meest toegepast. De oververhitter ligt hierbij in een afzonderlijke ruimte en wordt '''door kleppen of schuiven''' geheel of gedeeltelijk van de rookgassen gescheiden
<li>door '''bij het begin van het stoken''', dus voordat er stoom in de oververhitter kan doorstromen, '''water in de oververhitter te laten lopen, wordt het verwarmend oppervlak van de ketel vergroot, zodat men sneller stoom heeft'''. Men kan dan '''het water snel aftappen als er voldoende stoomvorming optreedt'''
<li>door '''het veranderen van de grootte van het verwarmend oppervlak van de oververhitter'''. Men bereikt dat door een '''gedeeltelijke uitschakeling van de oververhitter door afsluiting van segmenten'''
<li>door '''afkoeling van de oververhitte stoom''', door''' verzadigde stoom of door het voedingswater, of door de oververhitte stoom, gedeeltelijk door pijpen door de waterruimte van de ketel te voeren'''
</ul>


• De invoer van stookolie is gelijkmatiger.
'''Oververhitters hebben vaak de slangvorm, maar ook wel de U-vorm''', b.v. voor '''toepassing in waterpijpketels (Babcock en Wilcox)'''


• Het [[rendement]] van stookolie op de stookwaarde is hoger.
[[Bestand:Resolve6_gtgi.jpeg|482×381px|link=]]
'''Oververhitter voor een Babcock en Wilcox waterpijpketel'''
<br>(afbeelding uit: Stork Fotocollectie)


• Het onderhoud aan de vlamzijde gedeelte van de stoomketel is aanmerkelijk
<br>'''Ook in het Woudagemaal wordt oververhitting toegepast.'''
<br>De '''installatie van 1920''' is geheel '''ontworpen met toepassing van de de laatste ontwikkelingen uit het stoomtijdperk en daar hoort uiteraard ook het principe van oververhitting bij'''. Zowel '''[[stoomketels van het type Piedboeuf|de oorspronkelijke Pied-Boeufketels]]''' als de latere '''[[Schotse ketels|Schotse Werkspoorketels]]''' zijn '''uitgerust met een oververhitter'''. De '''overhitter bevindt zich achterin de ketels en is in staande positie uitgevoerd'''. De '''stoomtemperatuur uit de oververhitter is circa 320 gr. C'''. Deze oververhitte stoom wordt '''per ringleiding naar de machinekamer geleid'''. In een ringleiding is de stoom '''voortdurend in beweging''' en ook op deze wijze wordt '''afkoeling en condensatie''' weer '''voorkomen'''.

Versie van 25 feb 2013 13:46

Het oververhitten van de stoom wordt vanaf circa 1900 steeds vaker toegepast.

Deze nieuwe stoomtechniek blijkt al spoedig een succes te zijn. In de voorafgaande decennia wordt er veel onderzoek verricht op dit terrein door Hirn, Sainte Clair Deville en anderen.
Uit die experimenten blijkt, dat het rendement van de stoommachine sterk kan worden verhoogd door de stoom extra te verhitten, tot boven de temperatuur van de bijbehorende spanning, dus tot boven die van het verzadigingspunt.
Voorafgaand aan deze nieuwe toepassingen was het normaal om met verzadigde stoom te werken: het is de stoom die gevormd wordt in de stoomketel bij een bepaalde temperatuur en bijbehorende druk.

Wanneer de verzadigde stoom uit de ketel via de stoomleiding naar de stoommachine geleid wordt, zal onderweg door afkoeling van de pijpleiding een gedeelte van de stoom gaan condenseren en dus is het bijna niet te voorkomen dat natte stoom in de cilinder toestroomt.

600×188px Stoomtoevoerleiding, vanaf de stoomdom schuin aflopend naar de machine
(afbeelding uit: G.J. Harterink, "Landketels", Amsterdam 1921)

Maar zelfs, al zou de stoom bij binnenkomst in de cilinder echt nog droog zijn, dan zal tijdens de expansie van de stoom toch nog een deel als water neerslaan en daardoor een negatieve invloed op het nuttig effect uitoefenen.
Daar komt nog bij dat geen enkele stoomketel inderdaad volkomen droge stoom levert, dus de toelaat van droge stoom van verzadigingstemperatuur en -druk in de stoomcilinder is veeleer een theoretische hoop.

Daarom ontstaat geleidelijk het inzicht, dat het een voordeel zal opleveren, als men de temperatuur van de stoom zoveel verhoogd, dat er in de cilinder geen enkele condensatie kan plaatsvinden.

400×200px
(afbeelding uit: "Oude Machines")

Het is zelfs zo, dat als als men daarboven nog doorgaat met verhitten, dat er daarbij een volumevergroting optreedt, dit alles bij gelijkblijvende spanning. De volumetoename bedraagt bij een oververhitting van 100 gr. C. al bijna 25%.
Als voorbeeld noemt E.F. Scholl 1 kg stoom van van 6 atm., die in verzadigde toestand een volume heeft van 275 dm3 (liter), maar bij oververhitting met 100 gr. C al een volume heeft van 350 dm3 (liter)!
De voordelen van een groter volume zijn duidelijk: de schadelijke ruimte van de cilinder (de inlaatruimte) heeft dan ook minder invloed, het stoomverbruik vermindert, het ketelvermogen kan kleiner blijven. Bovendien kan men die kleine ketels beter forceren, d.w.z. heftiger laten werken (koken), omdat er bij oververhitting van de stoom toch geen natte stoom naar de machine gaat.

In het begin staat de technische ontwikkeling van voldoende effectieve oververhitters (ook superheaters genoemd) de toepassing van oververhitte stoom nog in de weg. Er moet naar de juiste materialen worden gezocht. Opwelling van de te heet geworden stoompijpen, ondichtheid van pakkingbussen, zuigers en schuiven of kleppen vormen daarbij een probleem, want ook het bedrijf met oververhitte stoom moet in de praktijk natuurlijk beheersbaar, betrouwbaar en langdurig toepasbaar zijn.

Daarbij komt ook nog een geheel ander probleem: de eerder gebruikelijke smeermiddelen, plantaardige of dierlijke oliën en vetten, ontleden bij de hogere temperaturen gemakkelijker en dus komt de goede werking van de machine hierdoor in gevaar.

600×285px Een vroege oververhitter van Schwörer, geplaatst achter een vuurgangketel
let op de ringen aan de buitenzijde en de langsstroken aan de binnenzijde van de verhiiterpijpen
(afbeelding uit: E.F. Scholl, "De Gids voor Machinisten")

Vanaf circa 1900 heeft men de oplossingen voor het overgrote deel al wel gevonden en slaagt men er vervolgens in om goede oververhitters te bouwen. Voor de pakkingbussen en zuigers worden nieuwe metallieke materialen toegepast en men heeft minerale smeeroliën gevonden die een ontvlammingstemperatuur hebben boven 350 gr. C. en die hun smerende werking bij zulke hoge temperaturen ook behouden.

Bij stoomwerktuigen, waarbij de stoom geen pakkingbussen of sluitende zuigers en schuiven of kleppen hoeft te passeren, zoals bij stoomturbines (De Laval) het geval is, vervalt het probleem van ondichtheid natuurlijk helemaal. Voor stoomturbines is oververhitting dus heel goed toepasbaar en de nieuwe ontwikkelingen vertonen daarbij ook nog eens een sterke toename van de stoomdruk.

568×391px Stoomturbine van De Laval in proefopstelling
(afbeelding uit: brochure van De Laval)


De warmtetoevoer aan de oververhitter kan op twee manieren worden ingericht:

  • oververhitting met een eigen afzonderlijk vuur, dus onafhankelijk van de ketel
  • Interne oververhitting door de gassen van het ketelvuur

De eerste manier van oververhitting is in de praktijk weinig toegepast, omdat hierbij nog eens het zelfde verlies optreedt als bij alle andere ketelvuren. In een enkel geval gebeurde dit, omdat de ketel eigenlijk te klein was geworden voor het gevraagde vermogen en men condensatie wilde voorkomen en om zo dan toch nog voor droge stoom te kunnen zorgen.

800×302px Apart opgestelde oververhitter met eigen stookinrichting (lengte- en dwarsdoorsnede)
(afbeelding uit: E. F. Scholl, "De Gids voor Machinisten")

Bij de tweede manier wordt de oververhitter meestal opgenomen in de rookkanalen van de ketel, zodat de verwarming door de gassen van het ketelvuur zelf kan gebeuren.

Toepassing van oververhitte stoom gebeurt aanvankelijk nog voorzichtig: oververhitting met temperaturen van 200-250 gr. C. wordt gebruikt om een rendementstoename van 15-20% te bewerkstelligen. Uitgangspunten bij de bouw van oververhitters (superheaters) zijn dan:

  • Hij moet zonder problemen aan de hogere temperaturen van 250-300 gr. C. weerstand kunnen bieden
  • Hij moet overal gemakkelijk kunnen worden ingebouwd, hij mag dus in het stoombedrijf weinig ruimte in beslag nemen, maar moet in die kleine ruimte wel een zo groot mogelijk verwarmd oppervlak hebben
  • De massa van het materiaal van de oververhitter moet groot genoeg zijn om de temperatuursschommelingen van het verbrandingsproces te kunnen opvangen.

Als er bijvoorbeeld door het openen van de vuurdeuren koude lucht in de ketel wordt toegelaten, dan daalt de verbrandingstemperatuur en die van de rookgassen tijdelijk sterk. De oververhitter wordt dan op dat moment plotseling te weinig verhit en daardoor zou de stoom spontaan afkoelen tot beneden de gewenste temperatuur. Maar als er bij voldoende massa van de oververhitter maar voldoende warmte is opgehoopt in het materiaal, dan kan die warmte tijdelijk aan de stoom worden afgegeven en wordt daarmee de temperatuurschommeling voldoende afgevlakt. De oververhitter is daarmee dus meteen een hitte-accumulator.

De eerste bruikbare oververhitters worden ontworpen door Schwörer en Hirn. Deze eerste oververhitters waren vervaardigd van gietijzer. Gietijzer was echter niet bijzonder betrouwbaar bij de hogere stoomspanningen. Wel bezit gietijzer een flinke ijzermassa en dat gaf wel mogelijkheden voor hitte-accumulatie. De eerste oververhitters hadden buizen met daaromheen, aan de buitenzijde, veel ringen (voor de warmte overdracht, maar ook voor de sterkte) en aan de binnenzijde stroken in de langsrichting (die moesten zorgen voor een goede doorstroming van de stoom).

300×505px Oververhitter van Gebr. Böhmer
(afbeelding: Het Stoombedrijf, N.A. Imelman)

De Gebr. Böhmer in Magdeburg-Neustadt gebruikten buizen die aan één zijde waren afgesloten en vrij stonden opgesteld, met daarbij een wand in het midden, zodat de stoom gedwongen was om de buizen aan beide zijden te bestrijken.

Het materiaal dat later veelal voor de oververhitters werd gebruikt was gietijzer, gietstaal, smeedijzer of staal en in enkele gevallen nikkelstaal.

Het aanbrengen van de oververhitter hangt qua locatie hoofdzakelijk af van het gebruikte ketelsysteem.
Bij ketels met binnenvuren bouwt men de oververhitter achter de vuurgangen, zodat meestal de hete gassen eerst door de buizen gaan, dan de oververhitter bestrijken en vervolgens nog eens de ketel beneden verwarmen, voordat ze ontwijken via de schoorsteenkanalen.
Bij waterpijpketels ligt de oververhitter meestal tussen de waterpijpen en de bovenketel.

600×458px Plaatsing van de oververhitter tussen de waterpijpen en bovenketel (afbeelding uit: "Oude machines")

Het is natuurlijk wel zo, dat men, om de stoom een hogere temperatuur te kunnen geven, er meer warmte, dus ook meer brandstof, moet toevoeren, maar meestal gaan de gassen zonder oververhitting toch al met een veel te hoge temperatuur de schoorsteen uit, zodat met oververhitting nog een deel van de normale warmte door de oververhitter kan worden opgenomen.

De oververhitte stoom heeft als bijzondere eigenschap, dat die buitengewoon slecht warmtegeleidend is.
De oververhitter wordt daarom samengesteld uit dunne pijpen, om de toetreding van de warmte van de gassen ook tot de kern van de stoomstroom te laten doordringen. In zijn normale vorm bestaat de oververhitter uit pijpen in bundels van slangen van een gebogen vorm, waarvan het ene uiteinde uitkomt in een verzamelkast voor de stoomtoelaat (invoer) en het andere einde uit mondt in een dergelijke kast voor de stoomuitlaat (afvoer). De kasten zijn rechthoekig van doorsnede en gemaakt van naadloze pijp. De pijpen zijn "uitgerold"in de kasten, waarin tegenover elke pijp een gasprop of dekseltje met knevel is aangebracht.

600×529px (afbeelding uit: "Stoom", Ver. Krachtwerktuigen, Groningen 1942)

Soms zijn de slangen liggend aangebracht, maar zij kunnen ook staand zijn opgesteld, zoals bij de Werkspoorketels van het ir. D.F. Woudagemaal

Bij de oververhitters past men vaak het principe van gelijk- en tegenstroom toe.
Bij gelijkstroom is het gemiddeld temperatuurverschil tussen stoom en gas kleiner dan in het geval van zuivere tegenstroom.
Daar waar de heetste verbrandingsgassen de zuivere tegenstroom-oververhitter bereiken, is dus de hoogste stoomtemperatuur. De pijpwand krijgt dan zulk een hoge temperatuur , dat de kans op gloeiend worden groot is, en een dergelijke oververhitter zal al gauw verbranden.
Daarvoor wordt dus het gelijk- en tegenstroom-principe toegepast.
De stoom gaat in de eerste slangen in tegenstroom, om daarna in gelijkstroom tot de vereiste temperatuur verhit te worden. De het eerst door de verbrandingsgassen bestreken pijpen worden daardoor voldoende afgekoeld.

Het inzetten van een oververhitter betekent ook een toename van de weerstand voor de doorstroming van de rookgassen. Men moet dus altijd eerst onderzoeken of de schoorsteen genoeg trek kan leveren.

500×155px
(afbeelding uit: "Stoom", Ver. Krachtwerktuigen, Groningen 1942)

De afregeling van de oververhitter kan op verschillende manieren gebeuren:

  • door verandering van de hoeveelheid rookgassen die de oververhitter bestrijken. Deze regeling is eenvoudig te verwezenlijken en wordt het meest toegepast. De oververhitter ligt hierbij in een afzonderlijke ruimte en wordt door kleppen of schuiven geheel of gedeeltelijk van de rookgassen gescheiden
  • door bij het begin van het stoken, dus voordat er stoom in de oververhitter kan doorstromen, water in de oververhitter te laten lopen, wordt het verwarmend oppervlak van de ketel vergroot, zodat men sneller stoom heeft. Men kan dan het water snel aftappen als er voldoende stoomvorming optreedt
  • door het veranderen van de grootte van het verwarmend oppervlak van de oververhitter. Men bereikt dat door een gedeeltelijke uitschakeling van de oververhitter door afsluiting van segmenten
  • door afkoeling van de oververhitte stoom, door verzadigde stoom of door het voedingswater, of door de oververhitte stoom, gedeeltelijk door pijpen door de waterruimte van de ketel te voeren

Oververhitters hebben vaak de slangvorm, maar ook wel de U-vorm, b.v. voor toepassing in waterpijpketels (Babcock en Wilcox)

482×381px Oververhitter voor een Babcock en Wilcox waterpijpketel
(afbeelding uit: Stork Fotocollectie)


Ook in het Woudagemaal wordt oververhitting toegepast.
De installatie van 1920 is geheel ontworpen met toepassing van de de laatste ontwikkelingen uit het stoomtijdperk en daar hoort uiteraard ook het principe van oververhitting bij. Zowel de oorspronkelijke Pied-Boeufketels als de latere Schotse Werkspoorketels zijn uitgerust met een oververhitter. De overhitter bevindt zich achterin de ketels en is in staande positie uitgevoerd. De stoomtemperatuur uit de oververhitter is circa 320 gr. C. Deze oververhitte stoom wordt per ringleiding naar de machinekamer geleid. In een ringleiding is de stoom voortdurend in beweging en ook op deze wijze wordt afkoeling en condensatie weer voorkomen.